CN101922979A - 卷烟燃烧锥气相温度测量装置及燃烧锥气相温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了卷烟燃烧锥气相温度测量装置及卷烟燃烧锥气相温度测量方法，属于卷烟试验技术领域。本装置设置有同步触发装置及数据采集卡；吸烟机的抽吸信号指示输出端与同步触发装置的输入端相连接，同步触发装置的输出端通过RS232接口与计算机控制系统相连接；具有一组热电偶的热电偶测温系统的输出端与数据采集卡的输入端相连接，数据采集卡的输出端通过USB接口与计算机控制系统相连接。卷烟燃烧锥气相温度测量方法实现了与开始抽吸同步的自动开始采集，实现了点燃卷烟的同时软件自动开始采集温度数据。保证每次单独实验的数据在时间轴上对齐，实现了设定采集时间的自动停止功能。提高了仪器的自动化水平。

Description

卷烟燃烧锥气相温度测量装置及燃烧锥气相温度测量方法

技术领域

本发明属于卷烟试验技术领域，具体涉及一种卷烟燃烧锥气相温度测量装置，及一种卷烟燃烧锥气相温度测量方法。

背景技术

现有技术中，卷烟在燃烧过程中，会形成燃烧锥，燃烧锥的温度以及温度场分布是影响卷烟品质和降焦减害的重要参数之一。为实现对卷烟燃烧过程温度场分布的监测，一般用吸烟机来模拟吸烟的过程，并同时用卷烟燃烧锥温度测定仪测定卷烟在燃烧过程中的温度信息。卷烟燃烧锥温度包括固相温度和气相温度，卷烟燃烧锥表面的固相温度采用红外温度传感器来测量。卷烟燃烧锥内部气相温度的测量，需要采用热电偶插入到燃烧锥内，测量其内部气相温度。现有的用于卷烟燃烧锥气相温度场测量的测量系统包括四个部分：(1)热电偶；(2)热电偶支架；(3)数据采集硬件部分；(4)计算机控制系统及软件部分。

现有技术中，这几个部分的不足之处分别为：

(1)热电偶。现有技术的热电偶能满足卷烟燃烧锥的测温基本需求，但耐用性较差，导致整个测量系统的稳定性难以保证。

热电偶是整个测量系统的温度传感器，由于卷烟的尺寸限制(直径小于8mm，长度小于50mm)，卷烟的热容也很小。另外，卷烟的燃烧是动态向前推进的过程，在抽吸过程中温度变化速率快。所以要比较准确的测量卷烟燃烧锥内气相的温度，所用的温度传感器必须满足如下要求：尺寸很小，插入卷烟内部不至于对卷烟的物理性质造成很大的影响；热容小，响应时间短，能实时准确感知气相的温度变化。尺寸小的其热容也相应小，响应快；测温范围宽，燃烧的卷烟内部温度可达到1000℃，因此测温范围应在室温至1000℃之间；测温精度较高，目前用于卷烟燃烧锥气相温度场测量的测量系统，所采用的热电偶基本能达到以上基本要求。但是，由于热电偶要插入卷烟进行温度测量，为得到卷烟燃烧锥气相温度场的分布，需要多次平行测量，所以所用的热电偶，除满足以上条件外，还必须具有一定的耐用性，即能承受一定的机械强度。目前用于卷烟燃烧锥气相温度场测量的测量系统所采用的热电偶的耐用性较差，寿命短。

(2)热电偶支架：现有技术中，热电偶插入卷烟的位置和深度不可调节或不能方便调节；热电偶固定程序繁琐，不灵活，操作不方便，实验耗时长；热电偶支架太贴近卷烟。

热电偶是利用塞贝克效应测量温度的传感器。将两种金属丝一端焊接在一起，作为热端；另一端接电压测量仪表，作为冷端。为测量卷烟燃烧锥的温度场的分布，需同时将多只热电偶插入一只烟的设定部位，为保证该热电偶能稳定的插入到卷烟中，需要合适的热电偶固定装置。目前用于卷烟燃烧锥气相温度场测量的测量系统，所采用的固定装置存在的问题是：热电偶插入卷烟的位置和深度不可调节或不能方便调节；热电偶固定程序繁琐，不灵活，操作不方便，实验耗时长；热电偶支架太贴近卷烟。

(3)数据采集硬件部分：稳定性差，容易死机；通道数较少；现有技术使用的工业型数据记录器，其精度偏低，采集速率低；无法识别跟踪吸烟机的抽吸动作。

卷烟在抽吸过程中，燃烧锥的温度场的变化速率非常快，为了准确的测量卷烟燃烧锥气相的温度，数据采集硬件必须满足以下几个条件：较好的稳定性，较高的精度，较快的采集速率，能识别跟踪吸烟机的抽吸动作，使所采集到的温度信息与卷烟的实际抽吸过程同步。但目前已经有的该系统的数据采集的硬件没有很好的满足以上要求。

(4)计算机控制系统及软件部分：现有技术的软件具备基本功能，但自动化程度较差。

软件系统的基本功能是负责将硬件系统送来的信号读取并转换成可读的数据，并实时绘制曲线图和保存数据到文件。目前用于卷烟燃烧锥气相温度场测量的测量系统，软件部分能实现以上基本功能，但不具备以下应有的自动化功能：

(1)不具备与开始抽吸同步的自动开始采集。卷烟在抽吸过程中的温度变化速率非常快，为准确监测卷烟在抽吸过程中的温度场的变化规律，除了用高速率的数据采集系统外，还必须使卷烟燃烧锥温度测试仪的软件采集的开始与吸烟机的抽吸过程开始严格同步，否则采集到的温度场的信息会与实际过程错位。另外，吸烟机开始吸烟的过程包括了如下2个必须同时进行的过程和动作：一是点火过程，一是吸烟机接到抽吸指令后开始抽吸动作。若吸烟机的自动化程度不高，即点火和发出自动抽吸指令都需要人工完成时，必须要求该系统的软件具备自动开始采集的功能，否则1个实验操作者无法完成实验开始的操作。

(2)不具备自动停止功能。没有这一功能，设备采集一定的时间后，数据采集软件不能自动停止采集数据，实验操作者的必须手动完成，从而增加了操作步骤和工作量。

(3)不具备自动处理数据的功能。在温度场测试的实验过程中，需要将多只热电偶插入卷烟的不同部位进行测量，每一个部位又要进行多次的重复平行测量，一次完整的实验结束，生成的原始数据的量非常大。现有技术中，为了最终得到卷烟在不同时刻的温度场的分布信息，要用人工对原始数据进行选定、分析、统计、计算、绘图，再计算，这是一项非常耗时的工作。由于后续数据处理的工作量很大，这种自动化水平不高的系统工作效率低下。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种卷烟燃烧锥气相温度测量装置，实现了热电偶的快速、准确定位，操作方便快捷，实现了多通道的测量。本发明还提供了一种卷烟燃烧锥气相温度测量方法，它实现了与开始抽吸同步的自动开始采集，使每次平行实验的开始都严格平行一致，保证每次单独实验的数据在时间轴上对齐。实现了设定采集时间的自动停止功能，实现了实验数据的计算机自动处理。

本发明的技术方案是：卷烟燃烧锥气相温度测量装置，含热电偶测温系统、吸烟机、及计算机控制系统，本装置还设置有同步触发装置及数据采集卡；吸烟机的输出端与同步触发装置的输入端相连接，同步触发装置的输出端通过RS232接口与计算机控制系统相连接；具有一组热电偶的热电偶测温系统的输出端与数据采集卡的输入端相连接，数据采集卡的输出端通过USB接口与计算机控制系统相连接；所述的同步触发装置是一种可在第一时间准确捕捉到抽吸信号的由光电偶合器和单片机组成的电路装置。

同步触发装置由光电耦合器U1、单片机U2组成；由光电耦合器U1的输入端通过插座P1与吸烟机的抽吸信号指示输出端相连接，光电耦合器U1的输出端与单片机U2的任一一个I/O端相连；单片机U2输出端通过电平转换芯片与计算机的RS232串口相连接。

所述的数据采集卡的操作过程是由计算机控制系统中的数据采集软件支持的；数据采集卡设置有1～N个通道，每个通道设置有独立的放大和滤波处理电路，滤波处理电路与A/D转换芯片相连接，A/D转换芯片通过USB控制器与计算机控制系统相连接。

所述的热电偶测温系统由多维位移台、底座、滑台、热电偶、支架组成；热电偶前后端通过固定件与支架结合为一体，支架与三维位移台的顶面固定连接为一体；三维位移台底部与底座固定连接为一体，底座设置在滑台之上。

所述的热电偶是直径小于1mm的、测温范围为0℃至1200℃之间、精度为I级、响应时间小于24毫秒的耐用微小型铠装热电偶。

卷烟燃烧锥气相温度测量方法按以下步骤依次进行：

[1]、操作员点击开始命令并对与吸烟机接口连接的烟支点火后，计算机控制系统开始监视同步触发装置中光电偶合器和单片机连接的串口，等待同步触发装置向计算机发送抽吸开始状态字；计算机收到状态字后即开始计时；

[2]、计算机控制系统查询数据采集卡内部缓冲区数据是否准备好，同时监控同步触发装置是否有数据到来；如果数据采集卡内部缓冲区数据准备好，立即读入计算机，若缓冲区数据没有准备好，则隔50毫秒后，重新查询，直到缓冲区数据准备好；

[3]、当计算机收到抽吸开始状态字时，启动数据采集卡进行采集，并记录每一个数据到来的时刻；若没有收到抽吸开始状态字，则继续等待；

[4]、数据采集卡启动后，以设定的采样频率轮番采集各个通道的电压信号，并及时将电压信号传输给计算机控制系统；

[5]、计算机控制系统将采集到的电压信号数据换算成温度，并将温度数据分配到各个通道进行实时显示；

[6]、上述步骤一直重复着进行，直到限定的时刻到来或者操作员发出停止采集命令；

[7]、计算机控制系统接收到停止命令时，保存各个通道的温度数据以及每个温度数据所对应的时间。

所述的步骤[3]中，吸烟机开始抽吸的信号通过同步触发装置捕捉后传输给计算机控制系统的数据采集软件，数据采集软件命令硬件数据采集卡执行。

所述的步骤[5]中，调理后的电压信号送入1～N位高速A/D转换芯片；A/D转换芯片采用逐个通道扫描的方式读取每一通道的模拟信号并转换为数字信号，送给USB控制器，USB控制器再传输给计算机控制系统。

本发明的优点是：

(1)实现了抽吸同步的全自动实时自动监测，保证每次单独实验的温度数据在时间轴上对齐。

(2)实现了设定采集时间的自动停止功能。设置采集一定的时间后，数据采集软件指挥数据采集卡自动停止采集数据，该功能减少实验操作者的操作步骤和工作量，提高仪器的自动化水平。

(3)实现了实验数据的计算机自动处理。它能自动分析并给出任一时间卷烟内部气相温度分布等高线图，并自动给出相应的温度场的分布最终信息。现有技术中，绘制等高图需要在几百条曲线中提取数据，统计平均值，然后绘制等高图，给出温度场的分布信息的最终结果。手动绘制一张等高线图需要前处理大量数据，耗时数小时。而用本软件绘图，数据的前处理和绘图都由计算机完成，只需几秒钟就可以绘制任意时刻的等高图来。

附图说明

附图1是卷烟燃烧锥气相温度测试装置一实施例结构示意总图；

附图2是多通道数据采集卡流程示意图；

附图3是热电偶测温系统结构示意图；

附图4是吸烟机吸烟过程电信号示意图；

附图5是同步触发装置流程图；

附图6是数据采集软件工作流程简图；

附图7是数据处理工作流程示意图；

附图8是同步触发装置的电原理示意图。

附图中标记分述如下：1-吸烟机；2-接头；3-烟支；4-热电偶；5-热电偶测温系统；6-同步触发装置；7-计算机控制系统；8-数据采集卡；9-固定件；10-支架；11-顶面；12-固定件；13-多维位移台；14-底座；15-滑台顶面；16-滑台；17-旋钮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及有关技术问题作进一步详细的描述。如附图1所示为卷烟燃烧锥气相温度测试装置结构示意总图，本装置由吸烟机1、热电偶测温系统5、同步触发装置6、数据采集卡8及计算机控制系统7组成。烟支3的滤嘴端插接在吸烟机1的接头2上，吸烟机1的输出端与同步触发装置6的输入端相连接，同步触发装置6的输出端与计算机控制系统7相连接。烟支3的烟丝部分平行地插入有一组N个热电偶4，热电偶测温系统5的输出端与数据采集卡8的输入端相连接，数据采集卡8的输出端与计算机控制系统7相连接。

如附图2所示的多通道数据采集卡，本发明的实施例中系统设计了16个通道，每个通道都有独立的放大和滤波处理电路，调理后的信号送入16位高速A/D转换芯片。A/D转换电路采用逐个通道扫描的方式读取每一通道的模拟信号并转换为数字信号，并送给USB通讯电路。通道扫描的速度超过350通道/秒，这样可以保证每个通道的采样速率提高为20采样/秒。精度比现有技术提高了一个数量级。

附图3所示为热电偶测温系统结构。如附图1中所示热电偶测温系统5中设置有一组热电偶4，本发明实施例中设置有16支热电偶4，这些热电偶需要平行地插入到直径仅为8mm的烟支的一定位置中，是一件十分繁杂而困难的事，常常占用试验人员大量的劳动，而且不能精确定位，难以保持试验结果准确性。在附图3中，本系统的热电偶测温系统5可定量调节热电偶4插入卷烟3的位置和深度，热电偶4的间距可调节。多维位移台13使用起来很方便，装载样品的速度更快，实验效率高。热电偶测温系统5是从吸烟机1的侧面固定热电偶4，与吸烟机1的位置的远近合适，与吸烟机1正上方的相关配件(如测定热塌陷的配件)没有冲突，与吸烟机1其它功能及其它参数的测量具有兼容性，可实现温度和其它参数的同步综合性测量。本系统所设计的多维位移台13中的支架10固定在多维位移台13的顶面11之上。热电偶4位置的调整就是通过这个多维位移台13来精确控制。多维位移台13可实现x，y，z三个自由度的移动，这三个方向的移动范围为13mm，精度为0.002mm。移动方法是通过旋转图中所标示出来的x轴，y轴和z轴三个位置的螺旋标尺。多维位移台13固定在底座14上，底座14的作用是调节整个装置的高度，使热电偶4的高度和卷烟3在吸烟机1中的高度一致。底座14又固定于滑台16的滑动顶面15上。滑台16的作用是可以在x轴方向上大范围(55mm)、快速(转动一圈移动4mm)移动整个装置。

附图4所示为吸烟机的吸烟过程，此过程是抽吸和阴燃2个过程的周期性重复，吸烟机上有一个抽吸信号指示输出端，抽吸过程对应的是一个固定的高电平信号，而阴燃过程(停止抽吸)对应的是一个固定的低电平信号。附图5是同步触发装置流程图，当吸烟机1开始抽吸时，或由停止抽吸过程变为抽吸过程时，有一个电平电频信号的跳变，同步触发装置6能够准确的探测这一跳变。如果连接到计算机7上，同步触发装置6内置的微处理器能够向计算机7发送这一信息，计算机7将命令数据采集卡8开始采集。

本发明的实施例中的数据采集卡8的参数如下：

●供电电源：220VAC，50Hz，

●信号输入范围：-100mV～+100mV

●通道数目：15个热电偶通道+1个冷端温度传感器通道

●A/D转换位数：16bits

●采样速率：＞20采样/秒/通道

●数据传输方式：USB 2.0

附图6为数据采集软件工作流程简图，操作员发出开始采集命令，计算机即开始监视串口，等待同步触发装置发出抽吸开始状态字。当计算机收到抽吸开始状态字后，启动数据采集卡进行采集，若没有收到抽吸开始状态字，则继续等待。启动后，数据采集卡以设定的采样频率轮番采集各个通道的电压信号。整个中间采集过程无需计算机的干预即可自动进行。计算机查询采集卡内部缓冲区数据是否准备好，同时监控同步触发装置是否有数据到来。如果缓冲区数据准备好，立即读入计算机，若缓冲区数据没有准备好，则隔50毫秒后，重新查询，直到缓冲区数据准备好。计算机将数据换算成温度，并将温度数据分配到各个通道进行实时显示。如果同步触发装置有数据到来，则记录每一个数据到来的时刻，这对应于抽吸状态所对应的时刻。本步骤一直重复着进行，直到限定的时刻到来或者操作员发出停止采集命令。停止后，保存各个通道的温度数据以及每个数据所对应的时间。

附图7是数据处理工作流程示意图，实现了实验数据的计算机自动处理。它能自动分析并给出任一时刻卷烟内部气相温度分布等高线图，并自动给出相应的温度场的分布最终信息。绘制等高图需要在几百条曲线中提取数据，统计平均值，然后绘制等高图，给出温度场的分布信息的最终结果。手动绘制一张等高线图需要前处理大量数据，耗时数小时。而用本软件绘图，数据的前处理和绘图都由计算机完成，只需几秒钟就可以绘制任意时刻的等高图来。大大提高了工作效率。

Claims (8)

1.一种卷烟燃烧锥气相温度测量装置，含热电偶测温系统、吸烟机、及计算机控制系统，其特征在于：本装置还设置有同步触发装置(6)及数据采集卡(8)；吸烟机(1)的输出端与同步触发装置(6)的输入端相连接，同步触发装置(6)的输出端通过RS232接口与计算机控制系统(7)相连接；具有一组热电偶(4)的热电偶测温系统(5)的输出端与数据采集卡(8)的输入端相连接，数据采集卡(8)的输出端通过USB接口与计算机控制系统(7)相连接；所述的同步触发装置(6)是一种可在第一时间准确捕捉到抽吸信号的由光电偶合器和单片机组成的电路装置。

2.根据权利要求1所述的卷烟燃烧锥气相温度测量装置，其特征在于：同步触发装置(6)由光电耦合器U1、单片机U2组成；由光电耦合器U1的输入端通过插座P1与吸烟机的抽吸信号指示输出端相连接，光电耦合器U1的输出端与单片机U2的任一一个I/O端相连；单片机U2输出端通过电平转换芯片与计算机的RS232串口相连接。

3.根据权利要求1所述的卷烟燃烧锥气相温度测量装置，其特征在于：所述的数据采集卡(8)的操作过程是由计算机控制系统(7)中的数据采集软件支持的；数据采集卡(8)设置有1～N个通道，每个通道设置有独立的放大和滤波处理电路，滤波处理电路与A/D转换芯片相连接，A/D转换芯片通过USB控制器与计算机控制系统(7)相连接。

4.根据权利要求1所述的卷烟燃烧锥气相温度测量装置，其特征在于：所述的热电偶测温系统由多维位移台(13)、底座(14)、滑台(16)、热电偶(4)、支架(10)组成；热电偶(4)前后端通过固定件(9、12)与支架(10)结合为一体，支架(10)与三维位移台(13)的顶面(11)固定连接为一体；三维位移台(13)底部与底座(14)固定连接为一体，底座(14)设置在滑台(16)之上。

5.根据权利要求4所述的卷烟燃烧锥气相温度测量装置，其特征在于：所述的热电偶(4)是直径小于1mm的、测温范围为0℃至1200℃之间、精度为I级、响应时间小于24毫秒的耐用微小型铠装热电偶。

6.一种卷烟燃烧锥气相温度测量方法，其特征在于所述的测量方法按以下步骤依次进行：

[1]、操作员点击开始命令并对与吸烟机(1)接口(2)连接的烟支(3)点火后，计算机控制系统(7)开始监视同步触发装置(6)中光电偶合器和单片机连接的串口，等待同步触发装置(6)向计算机发送抽吸开始状态字；计算机收到状态字后即开始计时；

[2]、计算机控制系统(7)查询数据采集卡(8)内部缓冲区数据是否准备好，同时监控同步触发装置(6)是否有数据到来；如果数据采集卡(8)内部缓冲区数据准备好，立即读入计算机，若缓冲区数据没有准备好，则隔50毫秒后，重新查询，直到缓冲区数据准备好；

[3]、当计算机收到抽吸开始状态字时，启动数据采集卡(8)进行采集，并记录每一个数据到来的时刻；若没有收到抽吸开始状态字，则继续等待；

[4]、数据采集卡(8)启动后，以设定的采样频率轮番采集各个通道的电压信号，并及时将电压信号传输给计算机控制系统(7)；

[5]、计算机控制系统(7)将采集到的电压信号数据换算成温度，并将温度数据分配到各个通道进行实时显示；

[6]、上述步骤一直重复着进行，直到限定的时刻到来或者操作员发出停止采集命令；

[7]、计算机控制系统(7)接收到停止命令时，保存各个通道的温度数据以及每个温度数据所对应的时刻。

7.根据权利要求6所述的卷烟燃烧锥气相温度测量方法，其特征在于所述的步骤[3]中，吸烟机(1)开始抽吸的信号通过同步触发装置(6)捕捉后传输给计算机控制系统(7)的数据采集软件，数据采集软件命令硬件数据采集卡(8)执行。

8.根据权利要求6所述的卷烟燃烧锥气相温度测量方法，其特征在于所述的步骤[5]中，调理后的电压信号送入1～N位高速A/D转换芯片；A/D转换芯片采用逐个通道扫描的方式读取每一通道的模拟信号并转换为数字信号，送给USB控制器，USB控制器再传输给计算机控制系统(7)。

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